基因编码的荧光传感器可以在单细胞水平追踪代谢物、蛋白质或重金属离子等细胞内靶标的丰度变化和动力学分布，并解析活细胞的生理过程和信号传导通路。2023年7月24日, 国际著名学术期刊Nucleic Acids Research在线发表了李幸团队题为“Genetically encoded RNA-based sensors with Pepper fluorogenic aptamer”的研究论文。在该研究中，李幸团队开发了一类基因编码的新型荧光RNA传感器，既能够在活细胞中监测代谢物、外源药物、蛋白与金属离子等靶标，且展现出高通量、高内涵药物筛选的巨大潜力。 

　　传统的基因编码传感器由荧光蛋白和结合靶标的蛋白模块组成。然而，由于多数靶标缺乏对应的蛋白模块，科学家难以构建基于荧光蛋白的传感器。此外，基于荧光蛋白的传感器还有信噪比低等缺陷，限制了荧光蛋白传感器的应用。 

　　近年来，基于荧光RNA的传感器发展迅速。荧光RNA传感器由荧光RNA与结合靶标的RNA模块组成，二者通过一个短茎连接。该短茎称为传导模块（transducer module），其热力学稳定性由靶标识别适配体调节。靶标与结合靶标的RNA模块结合，诱导RNA构象变化，调控荧光RNA适配体的荧光强度，从而检测靶标信号，解析其在活细胞中的信号通路。然而，这些荧光RNA传感器通常含有RNA G四链体（RG4）结构。因为RG4结构可被活细胞解旋酶靶向，导致RNA的解旋或降解，所以限制了含RG4的荧光RNA传感器在活细胞中的应用。 

　　为此，李幸团队通过系列实验设计，研发了不包括RG4的荧光RNA传感器。首先，他们选择使用了Pepper荧光适配体。Pepper不含RG4结构，避免了被细胞酶降解或解旋。此外，Pepper不仅亮度高、稳定性强，还能够结合不同小分子探针产生不同颜色的荧光。基于此，，李幸团队开发了一系列基于Pepper的生物传感器。进一步实验表明这些传感器不包含RG4结构，并可以高效监测活细胞中的内源小分子代谢物、外源药物、蛋白质和金属离子等多种靶标。更值得一提的是，他们发展的基于RNA传感器率先用于检测人体细胞内的金属离子，为研究人体活细胞金属离子提供了一个新型基因编码工具（图1）。 

　　团队基于Pepper的生物传感器，深入研究了甲基化代谢物S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosyl methionine，SAM）代谢通路，测定了靶标药物活性。他们首先将 Pepper 与 SAM适配体融合，构建出低背景、高响应、高选择性的SAM传感器。随后，研究了单细胞中 SAM 合成的代谢来源，解析了SAM合成酶（methionine adenosyltransferase, MATase）的酶活性和基因表达水平。此外，他们还构建了监测SAM的比率传感器，不仅精确定量MATase的酶活性，并且准确测定了MATase抑制剂AG-270的半抑制浓度（IC50）。该工作首次发展荧光RNA传感器来准确测定活细胞中的药物IC50，为研发基于RNA的药物筛选平台验证了可行性，并提供了高效的MATase酶药物筛选工具（图2）。 

　　总体而言，团队为追踪活细胞内靶标及其信号传导途径提供了高效的生物传感平台，在药物筛选和疾病诊断等领域具有重要的潜在应用价值。 

　　北京生命科学研究院李幸研究员为通讯作者，团队成员陈振寅为该论文的第一作者。这项工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。 

　　论文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkad620

图1.将Pepper改造为高性能荧光RNA传感器，检测细胞内靶标，监测细胞甲基化代谢通路与药物活性

图2.构建基于Pepper的比率传感器，准确测定MATase抑制剂AG-270的半抑制浓度（IC50）